Divulgación Radiación del cuerpo negro

[alexpglez]

Hola, quería preguntar, que se entiende por cuerpo negro y qué es la radiación de cuerpo negro. A nivel divulgativo, ya que sé casi nada de termodinámica.
Según tengo entendido, absorbe toda la radiación incidente, pero también emite radiación, pero ésto es posible, ¿absorber toda la radiación y emitir?
El nombre "negro" se llama así por absorber toda la radiación luminosa¿? Y no emitir radiación luminosa¿?
Absorbe sólo la radiación lumínica y las demás rebotan en él¿?, por eso emite calor y se ve de color negro¿?

Por wikipedia, he leído muchas veces que se puede pensar como una caja con un pequeño orificio por el que entra y sale radiación. Pero si se piensa así, el cuerpo no es negro, ya que del orificio podría salir todo tipo de radiación...

Saludos, y gracias de antemano.

[arivasm]

Re: Radiación del cuerpo negro

Como dices, "negro" significa que absorbe toda la radiación incidente sobre él. Es decir, tiene un coeficiente de reflexión nulo.

Todo cuerpo (sistema de partículas) emite radiación debido a tránsitos entre los estados excitados de sus componentes y el fundamental (estado de mínima energía) de los mismos. La ocupación de los estados excitados depende de la temperatura. En el 0 absoluto el sistema tendrá todos sus componentes en su estado fundamental.

Es por ese motivo que un cuerpo, negro o no, emitirá radiación.

La radiación de cuerpo negro se refiere a la que emite éste cuando se encuentra en equilibrio con la radiación que le rodea.

Por último, no debes pensar en el espectro visible. Un cuerpo negro (teórico, no hay ninguno que lo sea -todos son más o menos "grises"-) lo será para absolutamente todas las frecuencias electromagnéticas. Sobre su aspecto visual depende del espectro de las radiaciones que emite. A temperaturas bajas éstas pertenecen mayoritariamente (en la escasez de las mismas) a frecuencias bajas. A medida que aumenta la temperatura comienza a predominar el IR, luego comienza a ser significativo el rojo, y ése será el primer color que observaremos. Para temperaturas más altas se incorporan significativamente otras frecuencias y en la franja del visible adquiere un color amarillento, después (si sigue subiendo la T) azulado y finalmente blanco. A partir de ahí, aunque se emitirá en UV, rayos X, etc, su apariencia visual será blanco (cada vez más intenso).

Si quieres jugar con el concepto te recomiendo este java: https://phet.colorado.edu/sims/black...ectrum_es.html

Por último, lo de la caja con el orificio. Como no hay substancias reales que sean negras para todas las frecuencias, una caja con un agujero se presta a aproximarse al concepto. Basta con mirar las ventanas de un edificio para comprobarlo: desde fuera su interior siempre parece más oscuro de lo que realmente es.

[alexpglez]

Re: Radiación del cuerpo negro

Todo cuerpo (sistema de partículas) emite radiación debido a tránsitos entre los estados excitados de sus componentes y el fundamental (estado de mínima energía) de los mismos. La ocupación de los estados excitados depende de la temperatura. En el 0 absoluto el sistema tendrá todos sus componentes en su estado fundamental.

Es por ese motivo que un cuerpo, negro o no, emitirá radiación.

La radiación de cuerpo negro se refiere a la que emite éste cuando se encuentra en equilibrio con la radiación que le rodea.

No entiendo esto último, encontrarse en equilibrio con la radiación que le rodea.

Ya que, por otra parte entiendo que todos los objetos absorben todas las radiaciones, los electrones saltan y después regresan emitiendo las radiaciones. En este punto, tampoco entiendo muy bien por qué sólo emiten determinadas, ¿qué pasa con el resto de frecuencias que absorben y no emiten? ¿Sirven para aumentar la temperatura interna, esto es el movimiento de átomos y moléculas, (electrones no, si hablamos de átomos, ya que cuánticamente tienen que tener momentos determinados en las mismas configuraciones)?
Supongo que la última frase que cito excluye todos estos cuerpos.

Gracias.

[arivasm]

Re: Radiación del cuerpo negro

No entiendo esto último, encontrarse en equilibrio con la radiación que le rodea.

Significa que el flujo de energía hacia el cuerpo es igual al flujo de energía desde el cuerpo. Es decir, que la potencia absorbida es igual a la emitida.

Ya que, por otra parte entiendo que todos los objetos absorben todas las radiaciones,

No. Un cuerpo blanco ideal sería aquél que no absorbe nada a ninguna frecuencia. Los objetos reales absorben ciertas frecuencias, de ahí su color (aunque el color puede deberse a bastantes más mecanismos, es decir, lo que acabo de poner sería aplicable sólo a cuerpos cuyo color se debe a la absorción -no vale para los colores de los fuegos artificiales, los que se observan en las pompas, el arco iris....-)

tampoco entiendo muy bien por qué sólo emiten determinadas, ¿qué pasa con el resto de frecuencias que absorben y no emiten?

Si te refieres a cuerpos reales, sólo* se emiten o absorben aquellas cuyos fotones poseen una energía igual a la diferencia entre las energías de dos niveles del sistema (y cuya transición no esté prohibida por alguna regla de selección -aquéllas que impliquen la no conservación de alguna magnitud-).

*En realidad esto no es absolutamente exacto: como siempre en Mecánica cuántica todo está gobernado por la probabilidad. La probabilidad de absorción o emisión es máxima si se cumple la condición anterior, decayendo al apartarse de ella. La razón de esa anchura está en el principio de incertidumbre (cuando no en aspectos más prosaicos como es el efecto Doppler, si el sistema está en movimiento -como sucede con los gases, por ejemplo-).

Para las frecuencias no absorbidas el material es transparente.

En el caso del cuerpo negro ideal habría un continuo de niveles, de modo que todas las transiciones son posibles.

¿Sirven para aumentar la temperatura interna, esto es el movimiento de átomos y moléculas, (electrones no, si hablamos de átomos, ya que cuánticamente tienen que tener momentos determinados en las mismas configuraciones)?

La temperatura (en realidad kT) es una medida de la energía media interna del sistema. En lo relativo al movimiento de átomos y moléculas, también existen niveles energéticos asociados con él, por lo que el concepto es exactamente el mismo.

No entiendo bien lo que has puesto entre paréntesis. Por si acaso, no debes pensar que, por ejemplo, todos los átomos de He de un gas de esta substancia están en el estado 1s². Eso sólo sucedería en el cero absoluto. A medida que aumenta la temperatura también aumenta el de átomos que estén en otros estados excitados, por ejemplo, 1s¹2s¹ (por decir el primero accesible).

[Alriga]

Re: Radiación del cuerpo negro

... No entiendo esto último, encontrarse en equilibrio con la radiación que le rodea...

alexpglez, además de las excelentes explicaciones de arivasm, mira en este enlace en el que encontrarás información complementaria interesante:

Equilibrio Termodinámico y Cuerpo Negro

arivasm, gracias por tu explicación y por compartir este enlace:

Si quieres jugar con el concepto te recomiendo este java: Blackbody Spectrum

Saludos a ambos.

[alexpglez]

Re: Radiación del cuerpo negro

En el caso del cuerpo negro ideal habría un continuo de niveles, de modo que todas las transiciones son posibles.



La temperatura (en realidad kT) es una medida de la energía media interna del sistema. En lo relativo al movimiento de átomos y moléculas, también existen niveles energéticos asociados con él, por lo que el concepto es exactamente el mismo.

No entiendo bien lo que has puesto entre paréntesis. Por si acaso, no debes pensar que, por ejemplo, todos los átomos de He de un gas de esta substancia están en el estado 1s². Eso sólo sucedería en el cero absoluto. A medida que aumenta la temperatura también aumenta el de átomos que estén en otros estados excitados, por ejemplo, 1s¹2s¹ (por decir el primero accesible).

Hola, disculpa, no he tenido mucho tiempo de mirarlo.
No entiendo lo que quuieres decir con transparente, si nos imaginamos una mesa verde, ésta no es transparente al color verde, ya que lo vemos rebotar el color desde la mesa, las frecuencias verdes no atraviesan la mesa.
A lo que me refería es que según tengo entendido, absorben todas las radiaciones y algunas las usan para procesos internos que conllevan un aumenta de la energía interna, y otras son emitidas. ¿Mi pregunta en este sentido es por qué una mesa verde es verde?
¿Por qué almacena ciertas frecuencias y otras las emite al instante de absorberlas?

Sobre lo segundo. Me refería a que entre He 1s2 y He 1s1 2s1 hay un salto energético, pero antes de darlo, la energía no se puede absorber para aumentar la velocidad y energía del electrón 1s2. Aunque creo recordar que cuando formulé la pregunta, no sé por qué me imaginaba los átomos que solían estar en su estado fundamental.

Entonces, la imagen de un cuerpo negro, anterior a la mecánica cuántica, al átomo, etc., sería un sistema de partículas cargadas que por el hecho de sus interacciones internas emite radiación electromagnética y que hay una relación entre las variables <v2>, E, P y f de la radiación emitida.¿?

Un saludo.

[arivasm]

Re: Radiación del cuerpo negro

No entiendo lo que quuieres decir con transparente, si nos imaginamos una mesa verde, ésta no es transparente al color verde, ya que lo vemos rebotar el color desde la mesa, las frecuencias verdes no atraviesan la mesa.
A lo que me refería es que según tengo entendido, absorben todas las radiaciones y algunas las usan para procesos internos que conllevan un aumenta de la energía interna, y otras son emitidas. ¿Mi pregunta en este sentido es por qué una mesa verde es verde?
¿Por qué almacena ciertas frecuencias y otras las emite al instante de absorberlas?

Tienes razón en que simplifiqué demasiado las cosas cuando me referí a los fotones cuyas frecuencias no sintonizan con niveles energéticos del material (lo que no sólo incluye a los átomos, sino también a los sistemas que éstos constituyen, tales como la red cristalina). Los fotones no absorbidos participan en procesos de dispersión, algunos de los cuales son colisiones elásticas (el fotón es reemitido con probabilidad dependiente de la dirección, de ahí el color por reflexión) pero también los hay inelásticos (el fotón cede parte de su energía al material y es reemitido con otra diferente).

Entonces, la imagen de un cuerpo negro, anterior a la mecánica cuántica, al átomo, etc., sería un sistema de partículas cargadas que por el hecho de sus interacciones internas emite radiación electromagnética y que hay una relación entre las variables <v2>, E, P y f de la radiación emitida.¿?

Entiendo que no, que era más simple, pues prescindía de los mecanismos por los cuales el cuerpo negro lo era. Simplemente se trataría de un sistema capaz de absorber cualquier radiación electromagnética incidente sobre él, sin importar cómo lo haga.